Wie der Isolator zum Leiter wird

Bei Zimmertemperatur führt die chemische Bindung von Wasserstoffatomen an Zinkoxid-Oberflächen zur Ausbildung elektronischer Bänder, die die Oberfläche dieses Isolators elektrisch leitfähig machen.

Anstöße für die Entwicklung neuer Solarzellen

RUB-Chemiker untersuchen Metallisierung von Oxiden
Physical Review Letters berichtet über „teilgefüllte Bänder“

Wie sich die Oberfläche von Zinkoxid auf einfache Art leitfähig machen lässt, entdeckten Bochumer Chemiker per Zufall: Bei Experimenten an Zinkoxid-Oberflächen stellten die Forscher um Prof. Dr. Christof Wöll (Physikalische Chemie I) fest, dass Wasserstoff-Atome bei Raumtemperatur ausschließlich mit den Sauerstoff-Atomen an der Zinkoxid-Oberfläche reagieren, während die Zink-Atome frei bleiben. Den Zink-Atomen fehlt somit ein „Nachbar“, mit dem sie eine weitere Bindung eingehen können – es bleiben ungepaarte Elektronen übrig, die elektrischen Strom leiten. Aus dem Isolator Zinkoxid wird ein guter elektrischer Leiter. Dieser Fund gibt Anstöße z.B. für die Herstellung von Solarzellen und Wasserstoffsensoren. Über ihre Funde berichten die RUB-Forscher in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters.

Durchsichtig und leitfähig soll es sein

Für viele Anwendungen, z.B. in Solarzellen, werden durchsichtige, leitfähige Materialien gebraucht. Metalle, die klassischen Leiter, sind aber undurchsichtig und kommen daher nicht in Frage. Deswegen interessiert man sich seit langem für die entsprechenden Metall-Oxide. Allerdings sind Oxide normalerweise gute Isolatoren. So sind oxidierte Kontakte im Zündverteiler der Alptraum eines jeden Autofahrers. Es gibt jedoch Ausnahmen: Das durchsichtige Indium-Zinn-Oxid (ITO) ist leitfähig und wird bereits vielfältig eingesetzt. Als leitende Schicht in Solarzellen muss es allerdings in einem extra Arbeitsschritt auf Oberflächen – etwa auf die des häufig eingesetzten Zinkoxids – aufgedampft werden.

Zufallsfund im SFB

Die Forscher am Lehrstuhl für Physikalische Chemie I der Ruhr-Universität fanden nun heraus, dass die Leitfähigkeit an der Oberfläche von Zinkoxid-Oberflächen auch einfacher zu haben ist: Geringe Mengen Wasserstoff reichen aus, um die Oberfläche metallisch zu machen. „Eigentlich handelt es sich dabei um einen ’Zufallsfund’“, erklärt Prof. Wöll, „das Hauptinteresse der Untersuchungen gilt den chemischen Eigenschaften von Zinkoxidoberflächen, insbesondere in Zusammenhang mit der Synthese von Methanol im Sonderforschungsbereich 558.“ Die Wissenschaftler entdeckten bei Experimenten mit atomarem Wasserstoff in einer Ultrahochvakuum-Kammer, dass bei Zimmertemperatur die Wasserstoff-Atome nur mit den Sauerstoff-Atomen an der Zinkoxid-Oberfläche reagieren, während die Zink-Atome an der Oberfläche frei bleiben. Die H-Atome in den sich an der Oberfläche bildenden OH-Gruppen haben also keine Partner an den benachbarten Metallatomen.

Teilgefüllte Bänder leiten den Strom

Wie theoretische Berechnungen von Dr. Bernd Meyer (Theoretische Chemie) zeigen, führt das zur Bildung von „ungepaarten“ Elektronen. Festkörperphysikers sprechen von so genannten teilgefüllten Bändern. „Wichtiges Resultat ist, dass die Elektronen dann frei beweglich sind; aus dem Isolator Zinkoxid wird ein elektrischer Leiter“, so Prof. Wöll. Da Zinkoxid für die Herstellung von Solarzellen von erheblichem Interesse ist, erwarten die Forscher von diesem Ergebnis Anstöße für die Entwicklung neuer Solarzellen. Außerdem erlauben die Daten erstmals tiefere Einsichten in die Funktionsweise von Wasserstoffsensoren, die ebenfalls auf dem Material Zinkoxid basieren.

Titelaufnahme

Y. Wang, B. Meyer, X. Yin, M. Kunat, D. Langenberg, F. Traeger, A. Birkner and Ch. Wöll: Hydrogen Induced Metallicity on the ZnO(10-10) Surface. In: Physical Review Letters 95, 266104 (2005)

Weitere Informationen

Prof. Dr. Christof Wöll, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I, Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, NC 5/ 74, Tel. 0234/32-25529, Fax: 0234/32-14182, E-Mail: woell@pc.ruhr-uni-bochum.de

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Dr. Josef König idw

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